通过案例分析LED路灯的应用关键点 ?? ?
当前，随着LED照明技术的不断发展，主要是以其功率的增加，效率的提高，成本的下降，越来越多的被各类照明工程所采用。LED不但在装饰性照明领域，在功能性照明领域也已占有一席之地。如信号灯、汽车尾灯、防水防爆型电筒，包括一部分室内照明及道路照明。LED作为一种固体照明光源，以其长寿命、高光效、多光色及一次配光定向照射功能，可在安全低电压下工作，也可连续开关闪断，能轻松实现0~100%调光功能等诸多优势，成为新一代光源的发展趋势。
近一段时期以来，在节能减排的口号的感召下，各地纷纷上马LED道路照明项目。但是，在这一功能性要求较高的领域里，LED却遇很大的阻力，显然LED路灯在目前的发展中暴露出它的一些不足。我们不难看到各地LED道路照明项目大多独立实施，良莠不齐，存在着反复试验，反复浪费的状况。如能在行业内实现信息共享，并出台一些切实可行的暂行标准，必将对LED路灯的健康、快速发展起到推动作用。以下，笔者以一个LED路灯的实际项目为例，结合LED本身特点，对LED路灯在发展过程的利弊作一研判，望能起到抛砖引玉的作用。
LED的基本优势分析
作为新兴光源，LED正处于飞速发展的阶段，目前大功率白光LED的光效已有100lm/W;而且通过对其发光机理的研究，可以推算出LED的辐射光效可达350lm/W，还具有很大的发展空间。LED的特点之一是定向发光，在实际应用中尽可能使灯具中的LED分别把光线直接射向被照面的各个区域，配合灯具反射器的辅助配光，得到符合各种需求的精确光分布，因此LED路灯灯具配光设计精准到位是其能否替代传统路灯的关键。
LED无明显的失效机理，理论寿命可达10万小时。在泛光照明应用中，通常约定LED输出光通量衰减到初始值的70%时即为寿命终点，照此现有LED寿命也有5万小时。可大幅减少维护工作，节约运行成本。
作为半导体光源，LED响应迅速，能在连续开关闪断状态工作，轻松实现0~100%调光，可与控制系统整合，按需要调整光输出。
案例分析
08年6月中旬，在上海某一长3.1KM的道路两侧机非隔离带安装了313盏LED路灯。
光源功率：
主干道：275W=135W，
非机动车道：165W=80W，
灯具配光：采用三次配光设计：1、LED芯片输出光方向性强，有良好的一次配光设计;2、每个LED的安装位置及投光方向单独设置，在此款灯具里是随反射器的曲面而分布的;3、利用反射器作为最终的辅助手段。
灯杆：
杆高：10m;(光源对路面距离)
挑臂：1m;(双挑)
杆距：28m;(对称排列)
路幅：32m;
4个月后实测数据：
平均照度:18lux
均匀度:0.4
车道均匀度：0.35
实际效果见图1。
图1安装在上海某道路上的LED路灯
1.综合评价
对比传统钠灯及金属卤化物灯路灯，LED除节约可观电能外还有如下明显优势。
1）虽然传统光源有更高的光效：钠灯110lm/W，金卤灯80lm/W。但这类光源应用在道路灯具中时，只有40%的光是直接照射到路面，其它光是通过灯具反射器再投射出灯具。而此类灯具的反射器效率仅为50%~60%，灯具效率一般仅有70%。反射器设计难度大，无法真正满足配光需求，普遍存在在直接照射方向照度过大，而在两灯光线交叉处照度过小的问题。
反观LED路灯，3次配光设计使大部分光是直接投射到路面，灯具整体光效达50lm/W。
2）LED光源输出白光显色性达65，色温适中：5000K~6000K,相比钠灯，光色更为自然。按“中间视觉”理论，白光LED具有较高的中间视觉等效光效，即在中间视觉条件下的亮度提高约40%，而此时“黄光”高压钠灯的等效光效要降低约30%。虽然中间视觉理论依据人眼感官，现在还处于争议中并无确切的标准，但LED的高显色性无疑有助于司机及行人识别目标，在同样的路面亮度下提供更好的通行条件。
3）钠灯与金卤灯均为高压气体放电灯，因故熄灭后热启动时间长达5～8分钟;LED灯具则可工作在连续开关闪断的状态下。
4）LED灯具可实现0~100%连续调光，可根据环境光照及交通状况灵活调整光输出，在保证照明质量的同时降低不必要的功耗。采用传统钠灯及金卤灯的路灯，一般只能实现小范围的调光控制，应用中不可避免的受到其最低工作电压要求的局限性。
5）LED灯具寿命长，在良好的散热条件下可达50,000小时，光衰小，有效降低维护工作，减少运行成本。
但在实际运行中，我们发现LED路灯的应用在现阶段仍然存在一些制约因素，正是这些原因在一定程度上阻碍了LED在道路照明方面的发展。
1）配光设计问题：LED路灯的配光设计，是LED路灯的难点之一。路灯的配光有其特点，首先为平衡良好的均匀度和经济性，灯具的配光应较宽，灯杆的间距应尽可能的宽，而不只是打亮灯具下方的区域，同时又必须严格控制炫光，和考虑环境系数。
2）LED光输出方向性好，在提供更高配光效率可能的同时也对灯具配光部件的设计及制造提出了更高要求，为获得合理的配光，我们可以采用多种光学手段进行设计，透镜，反射碗，棱镜等，但是光学设计难度相当大。
本案例中，LED灯具配光虽然经过一定的优化设计，但经现场实测发现：尚能基本满足道路照明的使用要求，但路面照度偏低，均匀度较差，斑马效应明显，有较大的眩光。而且电子驱动器可靠性、稳定性问题仍存在。
由于历史原因，国内现有的很多照明产商大多缺乏对LED光学特性的深入了解，特别在路灯方面缺乏光学设计的专业能力，同时又受制于LED芯片目前的光效水平。这些都是目前主要的制约LED路灯的发展因素。
2.散热问题
LED的工作状态和散热设计不仅直接关系到LED实际发光效率，也关系到实际使用寿命。
通常我们所说的LED芯片光效是指结温在25?C时的芯片光效，由于散热设计和环境温度的影响，在实际使用中，结点温度往往会大大高于25?C，所以会导致光效大幅下降。以结温25?C时100lm/W的芯片为例，实际使用中可能只有60-70lm/W。
LED是个光电器件，其工作过程中只有15%～25%的电能转换成光能，其余的电能几乎都转换成热能，使LED的温度升高。在大功率LED中，散热是个不容忽视的问题。例如，1个10WLED若其光电转换效率为20%，则有8W的电能转换成热能，若不加散热措施，则LED的结点温度会急速上升，当其结温(TJ)上升超过最大允许温度时，LED芯片会因过热而损坏。因此在大功率LED灯具设计中，除配光设计外还有就是散热设计。
图2结温与相对光输出的关系
目前最常见的散热方式是通过灯具结构散热片的设计，以期达到增加热传导散热面积。本项目LED路灯即采用散热片设计。但由于道路照明的应用环境一般都比较恶劣，尘埃较大且金属表面腐蚀氧化等原因，在安装初期尚能满足需求，维持较低的工作温度，但长期使用散热片之间难免积聚灰尘且散热片高低不平无法被天然雨水冲走，必然在一定程度上影响灯具内光源及电器散热，从而导致LED路灯使用实际寿命的缩短。另外也有通过散热风煽强制循环散热的设想，显然由于路灯所处环境相对室内要恶劣的多，微型散热风煽寿命很难达到要求。
3.维护问题
LED的一大优势是长寿命，大功率LED芯片的寿命可达50,000小时，大都管理部门在选用LED路灯时，除考虑节能经济性外，往往同时考虑到其免维护或少维护的优点。但实际上LED芯片的寿命可以达到50,000小时，并不意味LED灯具的整体寿命可以达到50,000小时。其中，很大的瓶颈在于其他电子元器件的寿命，比如国内大多驱动电源的寿命仅有20,000小时。如果LED路灯的驱动电源设计未经特别设计，则整灯寿命也就仅为20,000小时。
目前LED路灯灯具的结构设计均为一体化设计，即其相关器件无法在现场更换，无论是LED光源损坏或是电源故障，一有问题则必须整灯拆除更换，维护工作成本大大增加。由于LED产品的升级换代速度很快，许多接口又没有国标约束，随着芯片更大功率的出现，一般厂家很难保证在1年或若干年后是否还会生产现有的产品。届时产品的备品包括维护就成为运行维护部门棘手的问题，一条路一种路灯现象会愈来愈多。
所以，成熟的LED路灯产品除了有精准的配光设计，有效的散热功能，可靠的电子驱动，还应凸显模块化设计理念，要考虑到更新换代的空间及方便检修和长期维护的连续性。
4.性价比问题
由于目前LED芯片的价格仍处于较高水平，LED路灯的价格与传统灯具相比仍处于较高水平。
传统250W高压钠灯：灯具单价2000元，高压钠灯光效120lm/W，按灯具效率0.50计算：
2000/(250W120lm/W0.50)=0.13元/lm
本案例中LED路灯：单价4000元，LED实际光效50lm/W，按灯具效率0.65计算：
4000元/(135W45lm/W0.65)=0.76元/lm
通过以上比对可发现，目前LED路灯的性价比仍处于较低水平。
综合上述分析可知，作为新兴产品LED路灯由于配光设计、散热、维护、性价比等方面的不足限制了其大规模的应用。但我们也确实看到，这些大都是灯具设计的问题，LED本身具有生产过程及其产品无污染，不拍震动，可实现0~100%的连续调光，可在特低电压下工作，可连续工作于开关、闪断状态及光输出定向性好等许多独特优势，特别是其长寿命多光色更是其他路灯光源所不能替代的。随着世界范围内该技术的不断发展，各产商将逐渐熟悉、理解LED的特性，在路灯灯具设计中针对LED的特点，打破传统思维，进行扬长避短的设计。我们期待着LED路灯在各项指标中达到并超过传统路灯，并早日在道路照明中得到广泛的运用。
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